Historia Sony – elektroniczne oko
1. Historia Sony – elektroniczne oko
 Laureaci Nagrody Nobla 2009 z dziedziny fizyki – Willard S. Boyle i George E. Smith – prezentują swój wynalazek. |
Historia matryc CCD, czyli tzw. „elektronicznego oka”, sięga 17 października 1969 roku, kiedy to Willard S. Boyle i George E. Smith z Bell Laboratories naszkicowali strukturę CCD, zdefiniowali podstawowe zasady działania tej technologii i zarysowali możliwości jej zastosowania, wymieniając elektroniczne obrazowanie, a także nośnik pamięci. Niedługo potem opracowali pierwszy sensor składający się z jednego wiersza ośmiu komórek światłoczułych. Sam pomysł stworzenia matrycy CCD pojawił się, gdy ich przełożony stwierdził, że powinni pomyśleć o opracowaniu półprzewodnikowego urządzenia, które będzie funkcjonowało podobnie jak pamięć magnetyczna. Już następnego dnia mogli oni pochwalić się koncepcją tzw. Charge-couple device (w skrócie CCD), czyli w prostym tłumaczeniu przyrządem ze sprzężeniem ładunkowym, który był analogowym rejestrem przesuwnym. Oznacza to, że CCD jest w stanie gromadzić i transportować sygnał analogowy (ładunki elektryczne) poprzez kolejne stopnie (kondensatory) i w dodatku szybkość tego procesu może być kontrolowana za pomocą sygnału zegarowego. Dzięki temu matryca CCD pozwalała na przechowywanie próbek sygnału analogowego lub opóźnianie ich w czasie. Jakiś czas potem, podczas prac nad wideotelefonem, Willard S. Boyle i George E. Smith wpadli na pomysł wykorzystania w CCD zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego, za wyjaśnienie którego Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku. Dzięki temu CCD mogło być używane do rejestrowania ilości padającego nań światła w postaci sygnału elektrycznego. Więcej na temat technologii CCD znaleźć można w naszym artykule pt. „CCD vs CMOS”.
Dalsze prace doprowadziły do opracowania wspomnianej matrycy składającej się z ośmiu komórek światłoczułych, co pozwoliło na zaprezentowanie nowej technologii szerszemu gronu za pośrednictwem publikacji w jednym z magazynów naukowych wydanych w kwietniu 1970 roku. Numer ten trafił w ręce Shigeyuki Ochi – inżyniera zatrudnionego w centrum rozwojowym firmy Sony, który wielce zainteresował się tą nowinką i jeszcze w grudniu tego samego roku na liście swoich projektów umieścił pozycję: „Rozwój matrycy CCD”.
Firma Sony posiadała w owym czasie ogromne doświadczenie w produkcji elementów półprzewodnikowych, gdyż jak pamiętamy z pierwszej części naszego cyklu, zajmowała się tym od połowy lat 50-tych ubiegłego wieku. W rezultacie Ochi dość szybko opracował swoje prototypy matryc CCD. Choć pierwszy z nich składał się z ośmiu komórek światłoczułych, to już w 1972 roku udało mu się stworzyć 64-pikselową matrycę (8 x 8 pikseli) i zobrazować za jej pomocą literę „S” – na całe logo SONY zapewne zabrakło pikseli.
 Projekcja obrazu litery „S” zarejestrowanego za pomocą 64-pikselowej matrycy skonstruowanej przez Shigeyuki Ochi w 1972 roku. |
Ochi już wówczas zdawał sobie sprawę, że rozwój i komercjalizacja matryc CCD pozwolą na produkowanie niewielkich i tanich kamer wideo. Na szczęście podobnego zdania był Kazuo Iwama – zastępca prezesa zarządu, którego wsparcie i zaangażowanie pozwoliły na przeobrażenie dotychczasowej „zabawy” z matrycami CCD w pełnoprawny projekt rozwojowy. Celem projektu było stworzenie w ciągu 5 lat kamery CCD w cenie poniżej 50 tys. jenów.
Wiele osób zastanawiało się skąd taka determinacja u Kazuo Iwama, a tym bardziej nikt nie potrafił odpowiedzieć na pytanie, dlaczego stwierdził on, że zespół rozwojowy nie będzie konkurował z żadnym z producentów elektroniki, a jedynie z firmą Eastman Kodak, która wówczas nie zajmowała się produkcją matryc CCD. Dlatego należy się tu kilka słów wyjaśnienia.
Iwama dołączył do Sony w czerwcu 1946 r. kiedy to firma nazywała się jeszcze Tokijską Spółką Telekomunikacyjną, to on dowodził Działem Badań i Rozwoju w latach 50-tych, gdy Sony wiodło prym w branży półprzewodników, to pod jego kierownictwem Leona Esaki odkrył tunelowanie elektronów i opracował diodę Esaki wykorzystującą to zjawisko, za co w 1973 roku otrzymał Nagrodę Nobla. W latach 1971–1973 Kazuo Iwama pracował w amerykańskim oddziale Sony, a gdy wrócił do Japonii zespół odpowiedzialny za rozwój elementów półprzewodnikowych zastał w stagnacji, gdyż wycofywał się on właśnie z wyścigu w rozwoju podzespołów MOS do produkcji kalkulatorów. Iwama uznał wówczas, że „Zespół Rozwoju Półprzewodników Sony był martwy” i postanowił go ożywić. Nadzieję pokładał właśnie w matrycach CCD, które, jak uważał, mogły być kołem napędowym firmy i w rezultacie każdego miesiąca na jego biurku musiał znaleźć się raport z prac nad rozwojem tej technologii. A skąd w tym wszystkim znalazł się wspomniany Eastman Kodak? Wiara Iwamy w potencjał matryc CCD była tak duża, że już wówczas widział on w nich przyszłego konkurenta dla klisz fotograficznych i filmowych, których rynek został zdominowany właśnie przez tego amerykańskiego producenta.
 Iwama osobiście przyglądał się postępom prac nad rozwojem matryc CCD. Takie wizyty w laboratorium składał średnio raz miesiącu i w ich trakcie motywował zespół do dalszych prac. |
Niestety prace rozwojowe nie były łatwe. Iwama wciąż musiał się zmagać z Moritą i pozostałymi członkami zarządu, którzy nie byli do końca przekonani do projektu pochłaniającego coraz to większe zasoby finansowe. Jakby tego było mało Iwama mówił otwarcie, iż nie jest w stanie zagwarantować, że cała inwestycja zwróci się w obecnym stuleciu. Pomimo wielu przeciwności inżynierom udawało się zwiększać rozdzielczość produkowanych matryc – z 2000 pikseli przeszli do 8000, potem szybko osiągnęli 70 tys., aż w końcu w roku 1978 mogli pochwalić się sensorem o rozdzielczości 120 tys. pikseli. Jednak problem nie tkwił tylko w rozdzielczości, lecz także w jakości obrazu, która była pogarszana przez drobiny kurzu i pyłu dostające się do matrycy w procesie produkcyjnym oraz zanieczyszczenie półprzewodników metalami ciężkimi. Kluczowym było zatem opracowanie odpowiedniej technologii krystalizacji krzemu, co udało się właśnie w 1978 roku. Dzięki temu rok później można było rozpocząć produkcję pierwszej komercyjnej matrycy CCD Sony o rozdzielczości 120 tys. pikseli, która nosiła nazwę ICX008. Była ona owocem 6 lat pracy zespołu inżynierów, co kosztowało firmę 20 mld jenów. Licząc według dzisiejszego kursu, daje nam to niebagatelną sumę prawie 640 mln złotych, więc aż trudno sobie wyobrazić, jak ogromne były to pieniądze 30 lat temu.
W styczniu 1980 roku, 6 lat i 3 miesiące po rozpoczęciu prac rozwojowych, Sony zaprezentowało XC-1 – swoją pierwszą kamerę CCD. Była ona montowana w Jumbo Jetach linii lotniczych All Nippon Airways (ANA), gdzie odpowiadała za prezentację pasażerom obrazu z kokpitu pilotów podczas startu i lądowania samolotu. Niestety wyprodukowanie 52 matryc, które wykorzystano w 26 kamerach XC-1 zajęło firmie aż 12 miesięcy. Wszystko za sprawą niedoskonałego procesu produkcyjnego, który pozwalał na wykorzystanie zaledwie kilku sensorów ze stu wyprodukowanych. Reszta była bezużyteczna. W rezultacie matryce zostały wycenione na 330 tys. jenów za sztukę, co znacząco odbiegało od planowanych 50 tys. jenów za kamerę. Rozpoczęto więc walkę z mikroskopijnym kurzem, którego obecność była najczęstszą przyczyną bezużyteczności sensorów.
Choć zadowalającą wydajność produkcji osiągnięto dopiero w 1983 roku, to nie przeszkodziło to firmie w zaprezentowaniu 25 sierpnia 1981 r. prototypowego aparatu elektronicznego Sony MAVICA, którego nazwa wzięła się od pierwszych liter zwrotu Magnetic Video Camera.
 Prototypowy aparat Sony MAVICA z 1981 roku. |
Zastosowanie w aparacie matrycy CCD nie oznacza, że jest to aparat cyfrowy. Każda matryca CCD rejestruje jedynie sygnał analogowy i dopiero przetwornik A/D dokonuje jego cyfryzacji. MAVICA nie posiadała przetwornika analogowo-cyfrowego, a obraz był zapisywany na 2-calowych dyskietkach w postaci analogowego sygnału telewizyjnego. Tego typu nośnik mieścił maksymalnie 50 kolorowych zdjęć, które mogły być potem odtwarzane na odbiorniku TV. MAVICA była aparatem lustrzanym i wraz z nią producent zaprezentował trzy obiektywy: 25 mm f/2, 50 mm f/1.4 i zoom 16–65 mm.
 Sony MAVICA to lustrzanka wyposażona w matrycę CCD. |
Matryca CCD zastosowana w aparacie posiadała rozdzielczość 570 x 490 pikseli i mierzyła 10 x 12 mm. Jej czułość wynosiła ISO 200, a ze względu na dość długi czas sczytywania z niej danych, aparat posiadał tylko jeden czas otwarcia migawki, który wynosił 1/60 sek.
Choć w prototypowej Mavice znalazła się matryca o całkowitej liczbie 280 tys. pikseli, to producentowi dopiero dwa lata później udało się na tyle dopracować technologię produkcji, że mógł wprowadzić tej klasy matrycę do masowej produkcji. W wyniku tego, w styczniu 1985 roku powstała pierwsza komercyjna kamera wideo z matrycą CCD. Model CCD-V8 rejestrował obraz na taśmach 8 mm i wykorzystywał sensor ICX018 o rozdzielczości 250 tys. pikseli.
 Sony CCD-V8 to pierwsza masowo produkowana kamera Sony wyposażona w matrycę CCD. |
Niestety Kazuo Iwama nie doczekał tej chwili, gdyż zmarł w sierpniu 1982 roku. Dla uczczenia jego pasji i wiary w CCD, na jego nagrobku pracownicy Sony umieścili jedną z pierwszych seryjnie produkowanych matryc.
 Nagrobek Kazuo Iwamy. |
Lata 80-te ubiegłego wieku, to okres dynamicznego rozwoju technologii produkcji matryc CCD. Wszystko za sprawą rywalizacji Sony z firmą JVC, która w 1986 roku zaprezentowała pierwszą kamerę z matrycą CCD produkowaną przez firmę NEC. Dział Badań i Rozwoju pracował nad wprowadzeniem do masowej produkcji matrycy o rozdzielczości 380 tys. pikseli, która miała być zastosowana w nowej kamerze CCD-V90. Jednak znów dał o sobie znać mikroskopijny kurz, który spowodował, że prace nieco się opóźniły i nowa kamera została pokazana w 1987 roku z dwumiesięcznym opóźnieniem.
 Produkcja matryc CCD w fabryce Sony Kokubu w połowie lat 80-tych ubiegłego wieku. |
 Kamera Sony CCD-V90 wyposażona była w sensor o rozdzielczości 380 tys. pikseli. |
Następny rok przyniósł kolejny ważny produkt. Pierwszy produkowany przez firmę aparat z matrycą CCD, który był przeznaczony na rynek masowy. Była to MAVICA MVC-C1. Druga połowa lat 80-tych to także dynamiczny rozwój produkcji dla rynku OEM, w którym Sony do dnia dzisiejszego ma spory udział.
 |
Rok 1989 przyniósł kolejne innowacyjne rozwiązanie. Na matrycy CCD zaczęto stosować mikrosoczewki, które w znacznym stopniu poprawiły jakość generowanych przez sensor obrazów. Gdy dołożymy do tego ciągłą miniaturyzację, zwiększanie liczby pikseli i udoskonalanie procesów produkcyjnych, co prowadziło do znacznego obniżenia kosztów produkcji, to nic dziwnego, że w 1990 roku Sony mogło pochwalić się wyprodukowaniem w sumie 10 milionów matryc CCD.
Zdobyte przez lata doświadczenie pozwoliło firmie konkurować na tym nowym rynku i sprostać gwałtownie rosnącemu zapotrzebowaniu na sensory spowodowanemu rozwojem fotografii cyfrowej. Dzięki temu do dnia dzisiejszego Sony jest jednym z czołowych dostawców matryc CCD.
Optyczne.pl jest serwisem utrzymującym się dzięki wyświetlaniu reklam. Przychody z reklam pozwalają nam na pokrycie kosztów związanych z utrzymaniem serwerów, opłaceniem osób pracujących w redakcji, a także na zakup sprzętu komputerowego i wyposażenie studio, w którym prowadzimy testy.